Математическое выражение
Второй закон термодинамики возник на основе изучения принципа действия тепловых машин, назначение которых состоит в превращении теплоты в работу. Основоположником является французский инженер С. Карно. Согласно Карно для периодического действия тепловой машины необходимо по меньшей мере два тепловых резервуара с различающимися температурами.
Если обозначить Q1 – количество тепла, полученного системой (машиной) от нагревателя, а Q2 – количество тепла, переданного системой более холодному телу (холодильнику), то Q1 – Q2 – количество тепла, превращенное в работу.
Отношение является коэффициентом полезного действия.
Рисунок 1.3 – Схема перехода тепла в работу
Рассмотрим идеальную машину, работающую по обратимому циклу Карно (две изотермы и две адиабаты) рисунок 1.4:
Рисунок 1.4 – Цикл Карно
Работа складывается из работ четырех процессов:
Запишем уравнения адиабат:
Разделив почленно левую и правую части первого уравнения на левую и правую части второго уравнения, получим: , следовательно, в уравнении для W: , а .
Таким образом к.п.д. тепловой машины, работающей по обратимому циклу Карно, определяется лишь разностью температур нагревателя и холодильника и не зависит от рабочего тела этой машины.
Поскольку , то можно записать или
Это выражение может быть записано как и носит название теоремы Клаузиуса о приведенных теплотах:
«Алгебраическая сумма приведенных теплот обратимого цикла Карно равна нулю».
Если взять произвольный обратимый цикл и разбить на множество обратимых циклов Карно, получим: , что в пределе дает при n→
Из математики известно, что если круговой интеграл равен нулю, то подынтегральная функция является полным дифференциалом какой-то функции состояния:
(1.10)
Функция S называется энтропией.
Работа необратимого цикла меньше работы обратимого, т.е. < , а значит < 0, или < 0.
В этом выражении подынтегральная функция не является полным дифференциалом и
< dS (1.11)
Объединив уравнения 1.10 и 1.11 получаем математическое выражение второго начала термодинамики:
или (1.12)
Знак равенства относится к обратимому процессу, а знак больше к необратимому.
Более простые соотношения получаются для изолированной системы, в которой:
или
Заменяя δQ на выражение из первого начала термодинамики, получаем объединенное уравнение первого и второго начал термодинамики, так называемое фундаментальное уравнение термодинамики:
TdS dU + PdV + WX (1.13)
Дата добавления: 2016-06-22; просмотров: 2022;